[論文レビュー] Multi-Boson Correlation Interferometry and Boson Sampling in Time

Vincenzo Tamma, Simon Laibacher|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、任意の入射単光子状態を持つ受動的線形干渉計における多ボソン相関干渉計の分析のための包括的フレームワークを提示する。これにより、高次量子干渉の研究が可能となる。周波数に区別可能な光子でさえ、任意次数の量子ビート干渉と100%可視性のエンタングルメント相関を実現することが示され、ランダム干渉計における多ボソン相関の新たな地形が明らかになる。

ABSTRACT

We provide a compact full description of multiboson correlation measurements of arbitrary order N in passive linear interferometers with arbitrary input single-photon pure states. This allows us to physically analyze the novel problem of multiboson correlation sampling at the output of random linear interferometers. Our results also describe general multiboson correlation landscapes for an arbitrary number of input single photons and arbitrary interferometers. In particular, we use two different schemes to demonstrate, respectively, arbitrary-order quantum beat interference and 100% visibility entanglement correlations even for input photons distinguishable in their frequencies.

研究の動機と目的

• 受動的線形干渉計における任意次数Nの多ボソン相関測定の完全な理論的記述を開発すること。
• 標準的なボソンサンプリングを超えて、ランダム線形干渉計の出力における多ボソン相関サンプリングを分析すること。
• 入射光子数や干渉計構成が任意である場合の一般多ボソン相関の地形を特徴付けること。
• 光子が周波数で区別可能であっても、高次量子干渉とエンタングルメント相関が維持されることを示すこと。

提案手法

• 著者らは、入射状態のユニタリ変換を用いて、受動的線形干渉計におけるN次の多ボソン相関関数の簡潔な形式を導出する。
• この形式を、ランダム線形干渉計における相関サンプリングの分析に適用し、ランダム行列理論とユニタリ不変性を活用する。
• 2つの異なる手法を導入する：1つは任意次数の量子ビート干渉を生成するためのものであり、もう1つはエンタングルメント相関の100%可視性を達成するためのものである。
• 周波数の区別可能性を扱うために、入射状態を周波数依存振幅でモデル化し、干渉計のユニタリ変換を通じてその干渉を分析する。
• 多ボソン振幅のパーマネントに基づく表現を用い、対称性と波動関数の不可識別性が相関可視性に与える役割を検討する。
• このフレームワークにより、異なる入射光子数と干渉計構造における相関地形の体系的探索が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の入射状態を有する受動的線形干渉計において、高次多ボソン相関干渉を観測できるか？
• RQ2 周波数の区別可能性が多ボソン相関可視性およびエンタングルメントの兆候に果たす役割は何か？
• RQ3 ランダム線形干渉計は、多ボソン相関パターンの構造と可視性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 任意次数の量子ビート干渉を線形光回路で設計可能か？
• RQ5 入射光子数と干渉計構成が任意である多ボソン系の一般相関地形は何か？

主な発見

• 本稿は、受動的線形干渉計におけるN次の多ボソン相関関数の完全な形式を確立し、相関パターンの完全な特徴付けを可能にする。
• 適切に設計された入射状態と干渉計構成により、任意次数の量子ビート干渉を生成できることを示した。
• 周波数に区別可能な光子でさえも、特定の状態と干渉計設計により、エンタングルメント相関の100%可視性を達成できる。
• 入射光子数と干渉計構造に依存する、豊かで非自明な多ボソン相関地形が明らかになった。
• 結果として、ランダム線形干渉計が高精度な多ボソン相関サンプリングをサポートできることを示し、ボソンサンプリングの適用範囲を不可識別な光子にとどまらず拡張した。
• このフレームワークにより、光子の不可識別性に依存せずに、相関可視性と干渉次数の体系的探索が可能になった。